COMPARISON OF COMBUSTION PROCESS FOR DIESEL FUEL AND RAPE SEED OIL METHYL ESTERS IN THE CONSTANT VOLUME CHAMBER

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1 COMPARISON OF COMBUSTION PROCESS FOR DIESEL FUEL AND RAPE SEED OIL METHYL ESTERS IN THE CONSTANT VOLUME CHAMBER Cezary I. Boche ski, Krzysztof Warsicki Warsaw Agricultural University Faculty of Production Engineering ul. Nowoursynowska 166, Warszawa tel./fax: Abstract There are presented investigations on combustion process for Diesel fuel and rapeseed oil methyl esters at variable air temperature and air pressure as well as various air excess coefficient and injection pressure. Researches were conducted on the special investigative stand. The stand is equipped in fed fuel system (Common Rail) with an electronic control multiphase injection, the control system of time injection, registration system of processes, fed air system, system of pressure measurement in the chamber, and additional sets. Course of the combustion process was estimated on the ground plots of the pressure change versus time from the beginning of fuel injection. Authors presented in the paper the investigative stand and method tests, research of combustion process for diesel oil and the rapeseed oil esters, research of combustion process at the variable temperature of air in the chamber, research the combustion process at injection pressure change, research of the combustion process course at the change of the air excess coefficient. On the ground conducted research there were stated that the period of self-ignition delay at the temperature C for the diesel oil was shorter than for rapeseed oil methyl esters, at the temperature C methyl esters are characterized with the shorter period of self-ignition delay than diesel oil, combustion time both studied fuels shortens with the temperature rise, pressure increasing of the injection brought about shortenings of time of the self-ignition delay and decreasing pressure increment, increasing of the air excess coefficient caused the extension of the period of self-ignition delay and the slow increasing of the combustion pressure. Key words: Diesel engines, fuel injection, combustion processes, alternative fuels, constant volume chamber PORÓWNANIE PROCESU SPALANIA OLEJU NAP DOWEGO I ESTRÓW METYLOWYCH OLEJU RZEPAKOWEGO W KOMORZE O STA EJ OBJ TO CI Streszczenie Przedstawiono badania procesu spalania oleju nap dowego i estrów metylowych oleju rzepakowego przy zmiennej temperaturze i ci nieniu powietrza oraz ró nym wspó czynniku nadmiaru powietrza i ci nienia wtrysku. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku badawczym. Stanowisko wyposa one jest w uk ad doprowadzenia paliwa (Common Rail) z elektronicznym sterowaniem wielofazowego wtrysku, uk ad sterowania czasem wtrysku, uk ad rejestracji procesów, uk ad zasilania powietrzem, uk ad pomiaru ci nienia w komorze oraz zespo y dodatkowe Przebieg procesu spalania oceniano na podstawie wykresów zmiany ci nienia w czasie od pocz tku wtrysku paliwa. W artykule autorzy zaprezentowali stanowisko badawcze i metodyk bada, badania procesu spalania oleju nap dowego i estrów oleju rzepakowego, badania procesu spalania przy zmiennej temperaturze powietrza w komorze, badania procesu spalania przy zmianie ci nienia wtrysku, badania przebiegu spalania przy zmianie wspó czynnika nadmiaru powietrza. Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono, e okres opó nienia samozap onu w temperaturze C dla oleju nap dowego jest krótszy ni dla estrów metylowych oleju rzepakowego, w temperaturze C estry metylowe charakteryzuj si krótszym opó nieniem samozap onu ni olej nap dowy, czas spalania obu badanych paliw maleje ze wzrostem temperatury, zwi kszenie ci nienia wtrysku powodowa o skrócenia czasu opó nienia

2 C. I. Boche ski, K. Warsicki samozap onu i zmniejszenie przyrostu ci nienia, wzrost nadmiaru powietrza powodowa wyd u enie okresu opó nienia samozap onu i powolne narastanie ci nienia spalania. S owa kluczowe: silnik wysokopr ny, wtrysk paliwa, procesy spalania, paliwa alternatywne, komora sta ej obj to ci 1.Wst p Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej w 2010 roku udzia biopaliw w ogólnym zu yciu paliw mineralnych wynosi powinien 5,75%. W Polsce przetwarzamy oko o 15 mln ton ropy naftowej, która jest niemal w ca o ci importowana. Z ropy tej wytwarzamy oko o 5 6 mln ton oleju nap dowego i oko o 4 5 mln ton benzyny. Zainteresowanie paliwami ro linnymi zwi zane jest ze wzrostem cen ropy naftowej, oraz nadprodukcj ywno ci i konieczno ci od ugowania ziemi. W rolnictwie gdzie podstawow jednostk nap dow jest maszyn rolniczych i ci gników jest silnik wysokopr ny, korzystne jest wykorzystanie ro lin oleistych (rzepaku, s onecznika czy lnu) do produkcji estrów olejów mineralnych. Dodatkowym argumentem za wytworzeniem biopaliw jest wykorzystanie w gospodarstwie wtórnych produktów odpadowych, którymi s makuchy, s oma oraz gliceryna. Produkcja biodiesla jest te bardzo korzystna z punktu widzenia energetycznego, co przedstawia rys. 1. Energia s oneczna Ziarno/Nawozy/Pestycydy/Paliwo Nak ad energetyczny: ~ 20GJ//ha CO 2 Emisja 1,3t/ha Energia procesu/materia pomocniczy Nak a energetyczny: 6GJ/ha CO 2 Emisja 0,6t/ha Uprawa rzepaku i transport ziarna Ziarno rzepaku 3,5t/ha Energia pozyskana: 80GJ/ha T ocznia oleju S oma Energia pozyskana:~65gj/ha Olej rzepakowy 1,33t/ha Energia pozyskana: 49,3GJ/ha Energia procesu/materia pomocniczy Nak ad energetyczny: 6GJ/ha CO 2 Emisja 0,3t/ha Transestryfikacja BIODIESEL 1,32 t/ha Energia pozyskana: 49GJ/ha ruta rzepakowa 7t/ha Energia pozyskana: 30GJ/ha Gliceryna 0,12t/ha Energia pozyskana: 2,1GJ/ha Rys. 1. Bilans energetyczny przy produkcji estrów metylowych oleju rzepakowego Fig. 1. Energy balance in production of rape seed oil methyl esters Przy nak adach energetycznych na rzepaku wynosz cych oko o 20GJ/ha, uzyskuje si produkt ko cowy, paliwo (estry oleju rzepakowego) o warto ci energetycznej oko o 50 GJ/ha i warto ci opa owej oko o 36,7 MJ/kg. Ze wzgl du na ró nic surowców stosowanych do produkcji biodiesla (rzepak) i oleju nap dowego (ropa naftowa) paliwa te ró ni si w a ciwo ciami fizyko-chemicznymi. Z punktu widzenia spalania najwi ksze ró nice wyst puj w warto ciach lepko ci kinetycznej, warto ci opalowej, sk adzie chemicznym, przebiegiem krzywej frakcjonowania oraz stechiometryczny, zapotrzebowaniem na tlen. Ró nice te powoduj odmienny przebieg procesów podstawowych zachodz cych podczas spalania. Przeprowadzane badania maj na celu okre lenie tych ró nic. Badania przeprowadzono na stanowisku umo liwiaj cym pomiar ci nienia w czasie spalania, przy zmiennych parametrach doprowadzonego powietrza i zmiennych charakterystykach podawania paliwa ( Common Rail). 58

3 COMPARISON OF COMBUSTION PROCESS FOR DIESEL FUELAND RAPE SEED Opis stanowiska badawczego i metodyka bada Schemat stanowiska przedstawia rysunek komora badawcza, 2 wtryskiwacz, 3 akumulator ci nieniowy, 4 pompa wtryskowa, 5 pompa pró niowa, 6 uk ad sterowania ci nieniem wtrysku, 7 uk ad sterowania czasem wtrysku (modu ), 8 komputer programowania czasów wtrysku (dawki pilotuj cej, przerwy, dawki zasadniczej), 9 o wietlacze, 10 manometr ci nienia wst pnego w komorze, 11 kamera, 12 butla ze spr onym powietrzem, 13 zasilacz kamery, 14 komputer do rejestracji danych, 15 monitor kontrolny Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego Fig. 2. Layout of measuring stand G ównym elementem stanowiska jest wymienna komora o sta ej obj to ci (bomba) (1), umo liwiaj ca badanie procesu wtrysku oraz spalania. Stanowisko wyposa one jest w nast puj ce uk ady funkcjonalne: uk ad doprowadzenia paliwa (Common Rail) z elektronicznym sterowaniem wielofazowego wtrysku (2, 3, 4, 6), uk ad sterowania czasem wtrysku (7, 8), uk ad rejestracji procesów przy u yciu kamery cyfrowej (11, 13, 14, 15), uk ad zasilania powietrzem (12), uk ad pomiaru ci nienia spalania w komorze, zespo y dodatkowe (o wietlacze, pompa pró niowa). Przebieg spalania oceniano na podstawie wykresów zmiany ci nienia w czasie od pocz tku wtrysku paliwa, co przedstawia rysunek 3. Rys. 3. Zmiana ci nienia spalania w czasie Fig. 3. Change in combustion pressure with time 59

4 C. I. Boche ski, K. Warsicki 3. Badanie procesu spalania oleju nap dowego i estrów oleju rzepakowego Badania przeprowadzono dla paliw o w a ciwo ciach przedstawionych w tabeli 1. Tab. 1. Podstawowe w a ciwo ci fizykochemiczne estrów metylowych oleju rzepakowego i oleju nap dowego Tab. 1. Basic physical and chemical properties of rape seed oil methyl esters and Diesel fuel Lp. Badany parametr Jednostka RME ON 1. G sto w temperaturze 15 C kg/m 3 886, Temperatura zablokowania zimnego filtru C Ocena smarno ci z u yciem aparatu o ruchu posuwisto zwrotnym wysokiej cz stotliwo ci m (HFRR) 4. Lepko kinetyczna w temp. 20 C mm 2 /s 4,7 1,8 5. Warto opa owa MJ/kg Liczba cetanowa Temperatura m tnienia C Temperatura zap onu C Analiza elementarna C % 77, ,6 H 12,1 12,4 O 10,4 10. Stechiometryczne zapotrzebowanie na tlen kg pow /k gpal 1 14, Zawarto zanieczyszcze mg/kg Sk ad frakcyjny 20% destyluje do temperatury % destyluje do temperatury % destyluje do temperatury C % destyluje do temperatury % destyluje do temperatury 343 koniec destylacji 345 Do temp. 190 C destyluje Do temp. 240 C destyluje % (V/V) 59,0 Do temp. 290 C destyluje 97,0 3.1 Badanie procesu spalania przy zmiennej temperaturze powietrza w komorze Badania procesów spalania przeprowadzono w zakresie zmiany temperatury od C do C. Ró nice w przebiegu spalania dla temperatury C i C przedstawia rysunek 4 i 5. 60

5 COMPARISON OF COMBUSTION PROCESS FOR DIESEL FUELAND RAPE SEED... Olej nap dowy Estry metylowe oleju rzepakowego Rys. 4. Przebieg ci nienia spalania w komorze Temperatura pocz tkowa: 500 o C; Ci nienie pocz tkowe 0,9 [MPa] Ci nienie wtrysku 140[MPa]; =2 Fig. 4. Course of combustion in the combustion chamber Initial temperature: 500 o C; initial pressure 0,9 [MPa], injection pressure 140[MPa]; =2 Olej nap dowy Estry metylowe oleju rzepakowego Rys. 5. Przebieg ci nienia spalania w komorze Temperatura pocz tkowa: 600 o C; Ci nienie pocz tkowe 0,9 [MPa] Ci nienie wtrysku 140[MPa]; =2 Fig. 5. Course of combustion in the chamber Initial temperature: 600 o C; initial pressure 0,9 [MPa], injection pressure 140[MPa]; =2 61

6 C. I. Boche ski, K. Warsicki Na podstawie przeprowadzonych bada procesu spalania w ró nych temperaturach dla badanych paliw mo liwe by o okre lenie zmiany opó nienia samozap onu ( o ) czasu spalania ( s ) i przyrostu ci nienia ( p) co przedstawiaj rysunki 6, 7 i 8. 2 Opó nienie samozap onu [s] ON Ci nienie wtrysku 140 [MPa] ESTR Ci nienie wtrysku 140 [MPa] Temperatura [ C] Rys. 6. Przebieg opó nienia samozap onu w zale no ci od temperatury Fig. 6. Course of ignitron depending on temperature Czas spalania [s] ON ci nienie wtrysku 140 [MPa] ESTR ci nienie wtrysku 140 [MPa] Temperatura [ C] Rys. 7. Przebieg czasu spalania w zale no ci od temperatury Fig. 7. Course of combustion time depending on temperature 3.2. Badanie procesu spalania przy zmianie ci nienia wtrysku Istotny wp yw na przebieg spalania ma ci nienie pocz tkowe wtrysku, co powoduje dla obu paliw skrócenie okresu opó nienia samozap onu przy wi kszym ci nieniu wtrysku, jak równie zwi kszenie maksymalnego ci nienia spalania (rys. 9 i 10) Badanie przebiegu spalania przy zmianie wspó czynnika nadmiaru powietrza Zmian przebiegu spalania dla ró nych wspó czynników nadmiaru powietrza ( przedstawiono dla temperatury 600 C. 62

7 COMPARISON OF COMBUSTION PROCESS FOR DIESEL FUELAND RAPE SEED... 2 Przyrost ci nienia [MPa] 1 ON ci nienie wtrysku 140 [MPa] ESTR Ci nienie wtrysku 140 [MPa] Temperatura [ C] Rys. 8. Przyrost ci nienia w zale no ci od temperatury Fig. 8. Pressure increase depending on temperature Ci nienie wtrysku 140 [MPa] Ci nienie wtrysku 70 [MPa] Rys. 9. Przebieg ci nienia spalania w komorze Paliwo: Olej nap dowy; Temperatura pocz tkowa: 600 o C Ci nienie pocz tkowe 0,9 [MPa]; =2 Fig. 9. Course of combustion in the chamber Fuel: Diesel fuel Initial temperature: 600 o C Initial pressure 0,9 [MPa], =2 4. Wnioski z bada Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono: - Okres opó nienia samozap onu w temperaturze C dla oleju nap dowego jest krótszy ni dla estrów metylowych oleju rzepakowego. - W temperaturze C estry metylowe charakteryzuj si krótszym opó nieniem samozap onu ni olej nap dowy. - Czas spalania obu badanych paliw maleje ze wzrostem temperatury. - Zwi kszenie ci nienia wtrysku powodowa o skrócenia czasu opó nienia samozap onu i zmniejszenie przyrostu ci nienia. - Wzrost nadmiaru powietrza powodowa wyd u enie okresu opó nienia samozap onu i powolne narastanie ci nienia spalania. 63

8 C. I. Boche ski, K. Warsicki Ci nienie wtrysku 140 [MPa] Ci nienie wtrysku 70 [MPa] Rys. 10. Przebieg ci nienia spalania w komorze Paliwo: Ester; Temperatura pocz tkowa: 600 o C Ci nienie pocz tkowe 0,9 [MPa]; =2 Fig. 10. Course of combustion in the chamber Fuel: Ester, Initial temperature: 600 o C; initial pressure 0,9 [MPa], injection pressure 140[MPa]; =2 ON ON ESTR ESTR Literatura Rys. 11. Przebieg ci nienia spalania w komorze Temperatura pocz tkowa: 500 o C Fig. 11. Course of combustion in the chamber Initial temperature: 500 o C [1] Boche ski, C. I., Wasicki, K., Boche ska, A. M., Porównanie procesu tworzenia strugi i spalania oleju nap dowego i estrów oleju rzepakowego w komorze badawczej przy jedno i dwufazowym wtrysku paliwa. Jurnal of KONES Internal Combustion Engines. Warszawa Vol. 12, No.3-4, str [2] Boche ski, C. I., Wasicki, K., Proces spalania oleju nap dowego przy jedno i dwufazowym wtrysku paliwa w komorze o sta ej obj to ci. PTNSS KONGRES Bielsko Bia a PTNSS P05-C